作為一種潔凈、高效可存儲、可再生的能源，氫氣是目前石油化工領(lǐng)域中用量最大的一種化工原料，廣泛用于生產(chǎn)合成氨、油品、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應(yīng)。傳統(tǒng)煉廠制氫方法成本高，水煤漿氣化制氫是目前煉廠成本最低的大規(guī)模制氫方式之一。然而，煤制氫卻面臨氣化運行周期短、噴嘴易燒蝕、細(xì)灰量大等重大挑戰(zhàn)。
有沒有一種更高效、高可靠性的大型煤氣化技術(shù)？
剛剛開幕的第21屆中國國際工業(yè)博覽會上，由華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所代正華教授領(lǐng)銜的“SE水煤（焦）漿氣化成套技術(shù)”項目，以雙漿雙氧噴嘴、平推流氣化爐、煤漿自動分配三大創(chuàng)新點，攻克了噴嘴易燒蝕的難題，噴嘴使用壽命可達(dá)一年以上，碳轉(zhuǎn)化率大于99%，能協(xié)同處理液固廢棄物，且工藝流程簡單、投資低。
三大創(chuàng)新破解核心難題
作為煤氣化裝置的核心設(shè)備，噴嘴的使用壽命短一直是制約氣化爐長周期運行的難題——噴嘴到使用后期燒蝕嚴(yán)重、磨損大、霧化效果差等，為了安全生產(chǎn)必須停車更換噴嘴，這樣難以為煉廠的后續(xù)系統(tǒng)長期穩(wěn)定供氫。因此，延長噴嘴使用壽命是提高氣化爐運行周期、增加效益的有效途徑之一，對煉廠而言顯得尤為重要。
瞄準(zhǔn)這一業(yè)界難題，從2009年起，華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所就開始了歷經(jīng)10年的技術(shù)攻關(guān)。
噴嘴是將煤漿和氧氣輸送至氣化爐的關(guān)鍵設(shè)備，氣化爐內(nèi)溫度高達(dá)1300攝氏度，如果能有效降低噴嘴端部燃燒強度，則可大幅延長噴嘴壽命。為此，研發(fā)團隊基于氣化爐內(nèi)氧化反應(yīng)路徑的研究，發(fā)明了雙煤（焦）漿通道氣化噴嘴——噴嘴四通道走的原料由內(nèi)至外分別為氧、漿、氧、漿，這種排列最大的好處就是， 最外側(cè)通道的水煤漿作為冷卻介質(zhì)強化了噴嘴自冷卻保護(hù)，使得噴嘴使用壽命得以大幅延長。
煉廠對氫氣純度的要求非常高，為了降低凈化工藝的負(fù)擔(dān)，這就要求煤氣化過程中產(chǎn)生的細(xì)灰越少越好。所謂“細(xì)渣”，是一種會隨著氣體進(jìn)入到后續(xù)工藝的雜質(zhì)；相對應(yīng)的大塊“粗渣”，則是像巖漿一樣的液態(tài)排渣，遇水激冷，碳反應(yīng)更充分。基于氣化爐內(nèi)顆粒反應(yīng)特性和爐內(nèi)流場調(diào)控的研究，研發(fā)團隊提出了以爐內(nèi)平推流為主的流場結(jié)構(gòu)，顯著優(yōu)化顆粒停留時間分布和爐溫分布，將碳轉(zhuǎn)化率提高到了大于99%，細(xì)灰與粗灰的比例也降低為2:8（現(xiàn)有技術(shù)約4:6），灰渣中殘?zhí)家步抵?0%左右（現(xiàn)有技術(shù)約30%）。
此外，課題組還基于水煤漿復(fù)雜流變性的研究，建立了高精度的煤漿流量和阻力分配數(shù)學(xué)模型，發(fā)明了采用分支流和節(jié)流部件組合的煤漿多通道的分配技術(shù)，實現(xiàn)了在無泵和無調(diào)節(jié)裝置的情況下，雙股煤漿的精確自動分配。
2019年1月30日，中國石化鎮(zhèn)海煉化公司煤焦制氫裝置（POX項目）全流程一次打通，并成功產(chǎn)出合格產(chǎn)品，標(biāo)志著采用國產(chǎn)化自主攻關(guān)高壓水煤（焦）漿氣化技術(shù)的煤焦制氫裝置開車成功。
這是SE水煤（焦）漿氣化成套技術(shù)的首次工業(yè)化應(yīng)用。2012年，中國石化與華東理工大學(xué)合作建設(shè)中國石化—華東理工大學(xué)氣化技術(shù)研究中心，通過產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)高效煤氣化技術(shù)，SE水煤（焦）漿氣化技術(shù)即為其中之一，被列入中國石化“十條龍”科技攻關(guān)項目。
作為鎮(zhèn)海煉化POX項目的關(guān)鍵裝置，SE水煤（焦）漿氣化裝置采用了SE水煤（焦）漿氣化技術(shù)，該裝置建設(shè)了3臺日處理煤千噸級氣化爐，二開一備，采用激冷流程，操作壓力6.5MPa。3臺氣化爐分別于2019年1月30日、2月20日和4月22日一次開車成功，目前進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段。
在煉化企業(yè)，會產(chǎn)生許多種危險廢物，例如含油污泥、廢催化劑、廢油漿等，交給環(huán)保企業(yè)處理成本較高。如果企業(yè)能夠回收利用，豈不是具有經(jīng)濟、環(huán)保雙重價值？
SE水煤（焦）漿氣化技術(shù)的另一技術(shù)優(yōu)勢再次凸顯——變廢為寶，即協(xié)同處理煉化企業(yè)的液固廢棄物。“我們通過實驗測出含油污泥的熱值有時跟煤差不多，具有氣化價值。”代正華教授告訴記者。
代正華教授仍然記得鎮(zhèn)海煉化POX項目首臺氣化爐開車時的緊張。當(dāng)時臨近新春，雖然學(xué)校已經(jīng)放假，但作為SE水煤（焦）漿氣化技術(shù)的研發(fā)團隊，他們與企業(yè)方、設(shè)計方、施工方一起，都在鎮(zhèn)海煉化的現(xiàn)場見證了氣化爐的一次開車成功。
短暫的興奮后，團隊依然“隨時候命”。“畢竟是首套示范裝置，還有些實驗性質(zhì)。”據(jù)代正華教授介紹，首臺氣化爐運行60余天后監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，噴嘴沒有明顯的損傷，“對我們來說，這是一個新的起點。”
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